Ахой, мореманы, приветствую всех тех, кого жажда знаний привела в эту узкоспециальную гавань. Наш с вами разговор будет длинным, но включит в себя все: от объяснений всех базовых понятий на уровне школьного учебника до лабораторных отчетов, представленных в зале суда. Ваш адмирал собрал для вас материал с трансляций, презентаций и разборов специалистов, все вам перевел и, как смог, разложил по полочкам. Поехали!
- Основные понятия, определения и школьная физика
Начнем мы с вами так сказать от печки — чтобы понятно было даже тем, кто ранее не что что бы интересовался физикой, инженерией и тому подобным. Итак, основное действующее лицо у нас на сегодня — гидростатическое давление.
Гидростатическое давление — давление, создаваемое жидкостью под воздействием силы тяжести. Зависит оно от глубины и плотности жидкости. Его расчет легко визуализировать: представьте столб жидкости высотой с глубину погружения, стоящий на одном квадратном метре площади.
Единственное что, стоит учесть, что такое давление действует не в одном каком-то направлении, а во всех сразу, то есть, по большому счету, сжимает со всех сторон погруженное в жидкость тело. Считается это все в Паскалях или в куда более понимаемой для простого обывателя единице — атмосферах.
Математическая точность для понимания дальнейшей информации нам с вами не нужна, поэтому воспользуемся общепринятым округлением: каждые 10 метров в глубину в морской воде это примерно +1 атмосфера к давлению. Ну и так как океан — водоем открытый, саму по себе нашу хорошо знакомую атмосферу мы к этому всему тоже прибавляем. То есть на глубине, скажем, 100 метров давление у нас будет 10+1 атмосфер. Это так, для понимания серьезности проблемы.
Едем дальше. Если мы с вами погружаем в воду некий объект, например, подводный аппарат, мы должны учитывать, что давление будет распределяться в зависимости от формы объекта. Если не закапываться в формулы, то в среднем картина такая: гидростатическое давление любит обтекаемые формы. Резкие перепады этой самой формы приводят к тому, что на границах этих перепадов собирается напряжение. Это для нашей сегодняшней истории едва ли не ключевой момент, так что держите его в голове.
В общем, еще в прошлой статье у меня говорилось, что цилиндрическая форма для подводного аппарата — момент довольно неоднозначный. Вот теперь я могу эту мысль действительно развернуть.
Цилиндр подразумевает грани. Грани — это резкий перепад формы, а это, как мы помним, проблема. Но решаемая! Плоские грани можно заменить на полусферами, чтобы все покатые "бока" аппарата нормально распределяли давление. Но и тут не без подвоха: новым поводом для беспокойства становятся стыки меж основным цилиндром и торцами-полусферами, а также технологические отверстия типа иллюминаторов и люков — на их краях тоже фокусируется давление. Обход есть и на эту проблему, существуют сертифицированные типы окон и люков, нивелирующие эту проблему. А мы же все помним, что в "OceanGate" сертификацию не жаловали, да? Окно там было использовано не сертифицированное, что закономерно увеличивало давление на передней полусфере — впрочем, сейчас пока еще мы говорим не об этом.
Хорошо, с давлением разобрались. Что у нас еще осталось из базовых понятий? О, самое критичное в истории "Титана" — материалы. Нас интересуют два типа: изотропные и композитные.
Изотропные — материалы, свойства которых (механические, тепловые и т.д.) одинаковы во всех направлениях. Это металлы и аморфные материалы (стекло и некоторые полимеры, например). У таких материалов равномерная структура и одинаковые прочность, жесткость и другие параметры вне зависимости от нагрузки.
Композитные материалы — искусственно созданные материалы, состоящие из множества компонентов с четкой границей раздела между ними. Обычно включают в себя некую связующую матрицу (полимер/металл/керамика) и армирующий элемент (волокна или частицы). К таким относятся, например, углепластик (или карбон), стеклопластик, кевлар, железобетон. Они отличаются высокой прочностью при малом весе. Есть момент: у волокнистых композитов свойства зависят от направления волокна. Это может быть плюсом, потому что фактически материал позволяет вручную задать ему свойства в зависимости от задачи.
Нас в этой истории интересуют изотропный титан и композитный карбон (далее я везде буду использовать именно этот вариант названия углепластика).
Титан обладает жесткостью меньшей, чем сталь, но он легок и устойчив к коррозии. Весьма и весьма широко применяется в судостроении, в частности при создании подлодок и подводных аппаратов.
Карбон же состоит из углеродных волокон в матрице из эпоксидной смолы. Удивительный материал, учитывая, что его плотность при растяжении выше, чем у стали. Он, между прочим, как и титан устойчив к коррозии, еще более легок и очень прочен. Но у карбона есть несколько внушительных "но":
- Его структуру однородной не назвать.
- Он склонен к расслоению при точечных ударах.
- Предел выносливости (максимальная нагрузка, выдерживаемая без разрушения за N циклов) у него повыше, чем у стали, но только если нет скрытых дефектов типа микротрещин или расслоений.
- Обладает таким подлым свойством, как циклическая усталость. Если нагрузка не постоянна, то материал весьма быстро начнет накапливать в себе микроповреждения. В случае достижения предела своих возможностей матрица резко разрушается и материал мгновенно полностью разрушается, расслаиваясь.
- Очень зависим от процесса производства, малейший промах в нем приведет к потенциальной уязвимости.
Кстати, знаете, что еще плохо "дружит" с гидростатическим давлением? Неоднородность толщины корпуса подводного аппарата. Опять же, держим это в голове, скоро понадобится.
За сим ликбез объявляю оконченным.
- Проблемы конструкции "Титана"
Вот теперь мы готовы говорить о том, что именно в этой истории пошло не так, со знанием дела. Все, что я расскажу далее, основано на презентации Дона Крамера, старшего инженера по материалам NTSB ("национальный совет по безопасности на транспорте", независимое федеральное агентство США, расследующее аварии и инциденты на гражданском транспорте), представленной в ходе разбирательства, а также на показаниях участников предыдущих экспедиций, интервью друзей Стоктона Раша и интервью Джеймса Кэмерона по поводу ситуации "Титана". Большинство приведенных иллюстраций в ходе моего рассказа будут слайдами из той же самой презентации, удачно включающей в себя данные из лабораторных исследований обломков "Титана".
Итак, "Титан" в ходе своей "жизни" сменил два корпуса. На первой версии OceanGate тестировали свои задумки и теории, а вот уже вторая использовалась в коммерческих целях. Давайте быстенько составим представление о первой версии.
Первый корпус включал в себя карбоновый цилиндр из волокон, уложенных в перпендикулярном друг к другу направлении (для компенсации влияния давления), двух титановых колец, обхватывавших эту карбоновую "камеру" с торцов и двух титановых же полусфер, в одну из которых было установлено окно-иллюминатор. Обшивку этого корпуса мы ни в одной из версий в расчет не берем — она никакой роли в аварии не сыграла. Нас конкретно интересует именно карбоновая часть. В первой версии меж пластинчатыми слоями материала было много пустот и серьезных расслоений. Тем не менее, с этим корпусом "Титан" выдержал несколько погружений (пусть и не к "Титанику"), прежде чем в корпусе была обнаружена трещина, приведшая к его списанию и к созданию второго, финального корпуса. Друзья Стоктона Раша, которым повезло быть частью экипажа первой версии, в унисон отмечают, что при каждом погружении первая версия издавала кошмарный треск. OceanGate сделали выводы и из этого.
Компания сделала еще две версии, пусть и уменьшенные, корпусов из карбона и провела тесты. Обе или треснули, или имплодировали. Причиной такой "несостоятельности" посчитали... Складки в карбоне.
Ликбез, кажется, был объявлен оконченным?.. Прошу прощения за этот обман, лекция продолжается.
Так вот, в процессе производства карбоновое изделие подвергается разным типам обработки во имя увеличения прочности и удаления пустот и расслоений. Часть процесса включает в себя помещение изделия под давление, дабы, как раз-таки убрать хотя бы большую часть воздуха из слоев. Но этот процесс закономерно оставляет за собой складки, порой весьма серьезные. Несложно предположить, что они нарушают общую обтекаемость формы изделия — цилиндрического корпуса. А что мы помним про давление и неоднородность? Правильно, любой выступ и любой резкий перепад концентрирует его силу на себе, способствуя, в свою очередь, снижению "жизнеспособности" карбона.
Выходит, не так уж эти инженеры были неправы. Они додумались сделать следующую версию корпуса из скреплённых меж собой сегментов. 133 слоя волокна наматывались друг на друга, и это становилось первым сегментом. Он проходил через обработку вакуумом и "обжиг" (дабы эпоксидная матрица затвердела), затем образовавшиеся складки стачивались, поверхность сегментов покрывалась специальным клеем, и сверху наматывался второй сегмент, той же толщины. И процесс повторялся. Всего таких сегментов было пять штук, суммарно толщина цилиндра даже чуть-чуть превышала пять дюймов за счёт слоёв клея. Последний сегмент не обтачивался.
В конечном итоге на этот карбоновый корпус были прикреплены титановые кольца и полусферы от первой версии аппарата. Кольца были рассчитаны на меньшую толщину карбоновой части, и потому последнюю пришлось частично обточить по краям. Меж собой титан и карбон были надёжно скреплены специальным клеем, по консистенции напоминавшем арахисовую пасту. Полусферы же крепились к кольцам на болтах. Передняя, с окном, служила ещё и дверью - да, вы правильно поняли, людей в "Титане" фактически замуровывали, завинчивая наглухо. Получившаяся конструкция не издавала ни звука, и выдержала два теста в контролируемой среде, оба под давлением, превышавшим давление на глубине "Титаника".
- Системы мониторинга
Вера в надёжность - это прекрасно, но важно и проверять, так? Ну вот и в "Титан", памятуя страшные звуки первого корпуса, установили довольно нестандартную, но имевшую смысл систему мониторинга. Она представляла из себя примонтированные к корпусу датчики-микрофоны, записывавшие любые издаваемые карбоном шумы. Заодно поставили фольговые тензодатчики, чтобы контролировать ещё и степень деформации корпуса под давлением. Казалось бы, всё под контролем. Если бы не один момент. Не со всех датчиков шли данные.
- Погружение 80 или начало конца
На самом деле, не работающие датчики никакой роли не играли. Карбон оправдывал свою репутацию и держался замечательно, несмотря на вскрывшиеся уже после трагедии ворох свидетельств очевидцев о недостатке регулярного обслуживания, рутинных проверок аппарата и даже просто базовой заботы о нём в межсезонье (есть фото из порта подтверждающие, что "Титан" "зимовал" открытым всем ветрам и всей непогоде, что как минимум безответственно). Судя по всему, команда работавших над "Титаном" людей нервничала ровно до момента первого успешного погружения к руинам "Титаника", а затем расслабилась, словно бы забыв, с каким материалом имеет дело и в чём может таиться опасность. Но карбон сам напомнил о себе при погружении, отмеченном в бортовом журнале как "погружение 80". Оно же было 11 успешным к самому "Титанику" (а в витьеватую нумерацию входили также тестовые погружения, лабораторные испытания и погружения ещё первого корпуса, поэтому номер выдался таким внушительным). Во время погружения 80 произошло то, чего стоило бояться, и что удивительным образом не напугало никого из ответственных лиц. "Титан" уже достиг поверхности, завершив отлично прошедшую экспедицию, когда все, что внутри, что снаружи аппарата, услышали громкий хлопок, схожий с приглушенным выстрелом. Стоктон счёл этот звук изданным верхней обшивкой, и успокоил этим как своих пассажиров, так и команду сопровождавшего погружение корабля. Однако данные датчиков при наложении показателей говорят об обратном.
Тем не менее, "Титан" почётно нёс своё звание непотопляемого ещё два успешных погружения и одно неполное (напомню, экспедиции часто срывались или отменялись из-за сложных природных и погодных условий самой местности). Затем несколько попыток погружения были записаны и пронумерованы, но на деле не состоялись. Мелкие технические неполадки и так далее.
Следующее интересующее нас погружение было за номером 87. Вернее, самого погружения не было, было происшествия, приведшее к отмене погружения. В том, последнем для "Титана" сезоне не было возможности поднять его на палубу сопровождавшего его корабля (уже знакомого нам "Polar Prince"). Соответственно, его перемещали в условиях, на которые он не был рассчитан - на буксире на плавучей платформе. Погружение 87 шло по плану, пока крепежи не подвели: "Титан" смог отсоединить от платформы переднюю часть, но не заднюю. Глубина была маленькой, и потому волны сделали с аппаратом весьма жуткую вещь: ударили его свободную переднюю часть о платформу, с размаха и всем весом, несколько раз. Разобраться с этой неполадкой вышло только при вмешательстве водолазов. Естественно, после этого погружение было отменено, хотя Стоктон Раш и уверял своих клиентов, что с "Титаном" всё в полном порядке. Он сам был в ярости: сезон и без того выходил тяжёлый и проблемный, многие экспедиции срывались. Раш был настроен в следующие миссии погрузится, во чтобы то ни стало.
"Титан" не был даже толком осмотрен. Следующее, 88 погружение, стало фатальным.
- Анализируя обломки...
"Мы все знали, что они были мертвы. Мы подняли бокалы за наших павших товарищей ещё в ночь понедельника", - Джейм Кэмерон, режиссёр и эксперт по погружениям, лично погружался к глубинам "Титаника" больше 30 раз, комментируя реакцию сообщества на потерю связи с "Титаном".
Обломки имплодировавшего подводного аппарата обнаружили спустя 4 дня напряжённых поисковых работ, 22 июня 2023 года. Разбросанные на площади примерно в 200 метров, на удалении примерно в 500 метров от носа "Титаника". В октябре 2023 года обломки были подняты на поверхность и отправлены на анализ. По злой иронии, этим подъёмом занималось всё то же хорошо нам знакомое судно - "Polar Prince".
Обломки по большому счёту подтвердили все догадки, ходившее в сообществе подводников: имплозия из-за разрушения карбонового корпуса. Судя по всему, не выдержала именно передняя часть, близ переднего титанового кольца. К тому же, лабораторный анализ показал высокую пористость в карбоне и износ соединявшего однодюймовые сегменты клея. К тому же, на переднем титановом кольце почти не осталось следов того клея - "арахисовой пасты", по всей видимости сказалось нарушение норм и стандартов в процессе производства.
Сложно сказать, что именно стало последней каплей, произошло ли что-то ещё, о чём мы уже никогда не узнаем, или карбоновое тело "Титана" просто "устало"? Впрочем, вероятнее всего, сказались все факторы разом.
Многие специалисты и инженеры били тревогу и предупреждали Стоктона Раша снова и снова, но он находил способы обойти все ограничения и свято верил в свой подход. В конечном итоге его уделом оказалось войти в историю как горькое подтверждение выражения "правила писаны кровью".
Вот такая история. Надеюсь, мне удалось объяснить произошедшее так, чтобы понятно было всем, вне зависимости от образования. Спасибо за внимание, спасибо, что дочитали этот разбор, и позвольте закончить ещё одной цитатой Джеймса Кэмерона:
"Я думаю, люди не особенно часто верят в свою собственную смертность. "Этого не случится со мной". Он (Стоктон) создал в своей голове эту идею, и она имела для него смысл: "Я как все эти остальные бунтари, я как остальные новаторы, я знаю свой карбон из аэрокосмической индустрии".
Пожелаем этой трагедии никогда не повториться.
До новых встреч.